專利名稱：靜電紡納米纖維紗線的制備方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種紗線的制備方法和裝置，更具體地說，是涉及一種靜電紡納米纖維紗線的制備方法和裝置。
背景技術(shù)：
近幾年來，由于納米技術(shù)以及納米材料研究的迅速升溫，發(fā)展了許多制備納米纖維的方法，如模板聚合、自組裝、界面聚合、固相機(jī)械化學(xué)合成和靜電紡等。模板聚合法是以納米多孔膜為模板來制備納米纖維或納米中空纖維的方法。這種方法可以適用于不同的原料，如金屬、導(dǎo)電聚合物、碳納米管和半導(dǎo)體等，但是不能制備連續(xù)的納米長纖維。自組裝法主要是將低碳納米材料通過自組裝獲得各種超結(jié)構(gòu)的方法。采用這種方法可以合成有機(jī)或無機(jī)納米材料、納米多孔材料、納米微粒、納米絲甚至納米管等，但是其產(chǎn)量較小。界面聚合法是采用有機(jī)相和水相界面發(fā)生聚合反應(yīng)的方法，該法的合成和凈化過程都較為簡單，但是只適用于部分雙親性物質(zhì)的反應(yīng)中，應(yīng)用范圍具有一定的局限性。固相機(jī)械化學(xué)合成法是固相反應(yīng)物混合并持續(xù)研磨的過程中發(fā)生反應(yīng)的方法。這種方法操作簡單、環(huán)保，所得產(chǎn)物性能良好而且容易分散，但是只有當(dāng)反應(yīng)物和氧化劑都是固相的，才能使用。相比于其他方法而言，靜電紡則具有裝置簡單，纖維尺寸可控等特點(diǎn)，是目前唯一能夠直接連續(xù)制備納米纖維的方法，因此靜電紡納米纖維成為目前國際上的研究熱點(diǎn)。靜電紡的基本原理傳統(tǒng)的靜電紡裝置一般由高壓發(fā)生器3，噴絲頭2和接收裝置 4三個(gè)部分組成，如圖1所示。將聚合物溶液注入注射器中，給溶液加上高壓靜電，剛開始時(shí)在噴絲頭末端的帶電液滴在電場中所受的電場力與聚合物溶液的表面張力處于平衡，液滴在噴絲頭末端處于穩(wěn)定狀態(tài)，而隨著電壓的加大，液滴被逐漸拉長形成錐體(即Taylor錐)。 當(dāng)電場增加到一臨界值時(shí)，電荷斥力大于表面張力，射流從Taylor錐表面噴出。射流從泰勒錐噴出后先經(jīng)過一個(gè)沿直線運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定段，然后在某一點(diǎn)射流發(fā)生彎曲，形成螺旋狀“鞭動(dòng)”，從射流發(fā)生彎曲開始到射流不再變細(xì)為止為不穩(wěn)定段，射流運(yùn)動(dòng)過程中溶劑揮發(fā)、固化，形成的纖維以無序排列的形式固化在接收裝置上，最終在接收裝置上得到纖維膜(網(wǎng)或者氈)。靜電紡的影響因素主要包括溶液性質(zhì)，過程條件和環(huán)境因素三個(gè)方面。其中溶液性質(zhì)包括黏度、濃度、相對(duì)分子質(zhì)量分布、彈性傳導(dǎo)率、介電常數(shù)、表面張力等；過程條件則主要包括紡絲電壓、溶液的流率、噴絲頭與接收裝置之間的距離、噴絲頭直徑等；而環(huán)境因素為溫度、濕度、氣體流速等。對(duì)于以上因素對(duì)靜電紡的影響這一方面，國內(nèi)外很多學(xué)者進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。高聚物分子鏈中原子均以共價(jià)鍵相結(jié)合，內(nèi)部一般無自由電子和離子，大多數(shù)是很好的絕緣材料。烴類高聚物，如聚乙烯、聚苯乙烯等，絕緣性能好，且不受頻率變化的影響。但高聚物溶液中由于溶劑的存在，溶液中存在少量的離子，在一定電壓下，離子作定向運(yùn)動(dòng)，因而具有一定的導(dǎo)電性。在外加電場中，帶正電荷的離子會(huì)向陰極運(yùn)動(dòng)，而帶負(fù)電荷的離子會(huì)向陽極運(yùn)動(dòng)，這樣就會(huì)導(dǎo)致溶液中的一定區(qū)域出現(xiàn)多余的電荷，也就是該區(qū)域帶電。靜電紡溶液的導(dǎo)電性對(duì)不穩(wěn)定射流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)影響非常大。鹽的加入能夠很大程度地提高溶液的導(dǎo)電性，加入鹽后，靜電紡溶液的電荷密度升高，所得納米纖維的平均直徑變細(xì)，納米纖維的直徑分布范圍變窄。在傳統(tǒng)的靜電紡裝置(如圖1所示)中，接收裝置一般為靜止的平板，由于泰勒錐噴出的鞭動(dòng)射流的運(yùn)動(dòng)存在隨機(jī)性和不穩(wěn)定性，接收裝置上沉積的纖維隨機(jī)排列并發(fā)生應(yīng)力松弛，在接收裝置上得到纖維膜(網(wǎng)或者氈)。靜電紡納米纖維膜具有孔隙率高、比表面積大、吸附性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)(如人造血管、組織工程支架、傷口包扎、手術(shù)縫合線等)、光催化、過濾、傳感器等領(lǐng)域。由于采用傳統(tǒng)的靜電紡裝置制得的纖維是以無序狀排列的，在微電子和光子的設(shè)備制造，生物工程等領(lǐng)域的使用受到了一定的限制，因此制取具有一定取向排列的靜電紡納米纖維或纖維束成為了當(dāng)前研究的焦點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
為了得到納米纖維紗線，本發(fā)明的目的在于提供發(fā)明一種靜電紡納米纖維紗線的制備方法和裝置。本發(fā)明解決技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是 一、一種靜電紡納米纖維紗線的制備方法
在高聚物溶液中加入了電解質(zhì)形成靜電紡溶液，其中高聚物與電解質(zhì)質(zhì)量比為200:1， 溶液流率為0. 005ml/min 0. 02ml/min，噴絲口加6kV 30kV電壓，對(duì)漏斗式接收裝置進(jìn)行抽氣，抽氣速率為100 500L/min，以接收納米纖維并使納米纖維取向排列、加捻形成納米纖維紗線。所述的靜電紡溶液中的高聚物為聚丙烯腈、聚乙烯醇或聚氨酯。
所述的電解質(zhì)為無機(jī)鹽、導(dǎo)電性單質(zhì)或有機(jī)類電解質(zhì)。二、一種靜電紡納米纖維紗線的制備裝置
包括噴絲頭、高壓發(fā)生器和接收裝置；所述的接收裝置為漏斗式接收裝置，它由圓錐形收縮管和圓柱形管連接而成，圓錐形收縮管的大端朝向內(nèi)裝有靜電紡溶液的噴絲頭，圓柱形管底部具有開口，圓柱形管底部開口處接真空泵，在漏斗式接收裝置中形成由漏斗入口向圓柱形管開口運(yùn)動(dòng)的氣流。所述的圓錐形收縮管和圓柱形管材料均為金屬或內(nèi)表面貼有導(dǎo)電材料的非金屬管。本發(fā)明具有的有益效果是
在高聚物溶液中加入無機(jī)或有機(jī)的添加劑，能改善溶液的導(dǎo)電性和可紡性，同時(shí)賦予纖維膜一定的功能。與其它無機(jī)鹽相比，氯化鋰對(duì)靜電紡溶液的電導(dǎo)率影響程度最顯著。本發(fā)明中在高聚物溶液中添加氯化鋰鹽，使用漏斗式接收裝置發(fā)現(xiàn)，氯化鋰鹽不僅可以改變纖維的直徑，也可以使纖維發(fā)生集聚。漏斗式接收裝置的主要設(shè)計(jì)思路是將傳統(tǒng)紡紗工藝中的渦流紡紗與靜電紡相結(jié)合，設(shè)計(jì)出一種新型的用來制備靜電紡納米纖維紗的紡絲裝置，并對(duì)該裝置進(jìn)行抽真空。也就是說，當(dāng)射流從噴絲頭噴出后，進(jìn)入漏斗式接收裝置的范圍，不穩(wěn)定的鞭動(dòng)射流將受到氣流場的作用不再向周圍擴(kuò)散，纖維被加捻，最后以紗線的形式被接收。
本發(fā)明的圓柱形管道底部具有開口，并在開口處用真空泵對(duì)整個(gè)漏斗式接收裝置進(jìn)行抽真空，使得氣流從漏斗口進(jìn)入后由開口處抽出，從而在整個(gè)接收裝置中形成由漏斗口向開口運(yùn)動(dòng)的氣流，該氣流具有如下三方面作用1)使原本由射流鞭動(dòng)隨意沉積的纖維從漏斗口進(jìn)入、集聚并取向排列；2)對(duì)取向排列的纖維進(jìn)行進(jìn)一步牽伸并帶動(dòng)纖維向前運(yùn)動(dòng)；3)氣流場對(duì)纖維進(jìn)一步集聚且加捻，最終形成納米纖維紗。整個(gè)漏斗式接收裝置的頭端采用圓錐形的收縮管，主要是利用收縮管截面面積的逐漸收縮產(chǎn)生收縮氣流，氣流的速度分布逐漸增大，纖維因加速運(yùn)動(dòng)而伸直取向排列。射流進(jìn)入接收裝置后，由于氣流速度的逐漸收縮，對(duì)射流的集聚作用隨之逐漸加大，使得射流能夠更好的全部進(jìn)入后面的圓柱形管道，最后在圓柱形管道中集聚成纖維束甚至由于氣流的旋轉(zhuǎn)得到一定的捻度，形成紗線?？傊?，本發(fā)明制備簡單，操作方便，用該發(fā)明制備的納米纖維紗線可用于電子和生物工程等領(lǐng)域。


圖1是傳統(tǒng)靜電紡裝置示意圖。圖2是本發(fā)明靜電紡裝置示意圖。圖3是未添加(左圖)和添加(右圖)氯化鋰的靜電紡納米纖維電鏡照片。圖4是納米纖維形成紗線的過程圖。圖5是溶液流速為0. 005ml/min時(shí)所得到納米纖維紗線的電鏡照片。圖6是溶液流速為0. 0075ml/min時(shí)所得到納米纖維紗線的電鏡照片。圖7是溶液流速為0. Olml/min時(shí)所得到納米纖維紗線的電鏡照片。圖中1、靜電紡溶液，2、噴絲頭，3、高壓發(fā)生器，4、平板接收裝置，5、漏斗式接收裝置。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖2所示，本發(fā)明包括噴絲頭2、高壓發(fā)生器3和接收裝置；其特征在于所述的接收裝置為漏斗式接收裝置5，它由圓錐形收縮管和圓柱形管連接而成，圓錐形收縮管的大端朝向內(nèi)裝有靜電紡溶液1的噴絲頭2，圓柱形管底部具有開口，圓柱形管底部開口處接真空泵，在漏斗式接收裝置5中形成由漏斗入口向圓柱形管開口運(yùn)動(dòng)的氣流。所述的圓錐形收縮管和圓柱形管材料均為金屬或內(nèi)表面貼有導(dǎo)電材料的非金屬管。所述的漏斗入口截面直徑為3. 5cm,出口截面的直徑為2. 5cm，漏斗深3cm，圓柱形管道的直徑為2. 5cm，長10. 5cm。如圖3所示，是未添加(左圖)和添加(右圖)氯化鋰的靜電紡納米纖維電鏡照片。實(shí)施例1
各靜電紡參數(shù)設(shè)置如下
(1)靜電紡溶液為聚丙烯腈溶液，溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%;
(2)從噴絲頭到接收裝置之間的紡絲距離為3cm；
(3)紡絲電壓為12kV；(4)靜電紡溶液流率為0.005ml/min ；
(5)氯化鋰的質(zhì)量含量為0.6% ；
(6)真空泵的抽氣速率為360L/min；
納米纖維形成紗線的各個(gè)階段如圖4所示。其中b，c，d分別為體式顯微鏡所拍攝的照片，放大倍數(shù)為300倍。采用該裝置在得到納米纖維紗線的過程中，纖維的形態(tài)分成了三個(gè)階段，依次為纖維取向排列，中間的過渡區(qū)，后端的納米纖維紗線。紗線中納米纖維形態(tài)如圖5所示。纖維基本均沿紗線軸向排列，其中有少數(shù)纖維發(fā)生相互間糾纏。實(shí)施例2
各靜電紡參數(shù)設(shè)置如下
(1)靜電紡溶液流率為0. 0075ml/min ；
其它靜電紡參數(shù)同上。得到的納米纖維紗線同圖4，紗線中纖維形態(tài)如圖6所示。紗線中仍然有纖維糾纏，但糾纏纖維數(shù)量減少，纖維沿紗線軸線排列的伸直度提高。實(shí)施例3
各靜電紡參數(shù)設(shè)置如下
(1)靜電紡溶液流率為0. Olml/min ；
其它靜電紡參數(shù)同上。得到的納米纖維紗線同圖4，紗線中纖維形態(tài)如圖7所示。噴絲頭中溶液流速增高，纖維發(fā)生擁擠而產(chǎn)生彎曲，纖維沿紗線軸線排列的伸直度減弱。
權(quán)利要求
1.一種靜電紡納米纖維紗線的制備方法，其特征在于在高聚物溶液中加入了電解質(zhì)形成靜電紡溶液，其中高聚物與電解質(zhì)質(zhì)量比為200:1，溶液流率為0. 005ml/min 0. 02ml/min,噴絲口加6kV 30kV電壓，對(duì)漏斗式接收裝置進(jìn)行抽氣，抽氣速率為100 500L/min，以接收納米纖維并使納米纖維取向排列、加捻形成納米纖維紗線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種靜電紡納米纖維紗線的制備方法，其特征在于所述的靜電紡溶液中的高聚物為聚丙烯腈、聚乙烯醇或聚氨酯。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種靜電紡納米纖維紗線的制備方法，其特征在于所述的電解質(zhì)為無機(jī)鹽、導(dǎo)電性單質(zhì)或有機(jī)類電解質(zhì)。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述方法的靜電紡納米纖維紗線的制備裝置，包括噴絲頭(2)、 高壓發(fā)生器(3)和接收裝置；其特征在于所述的接收裝置為漏斗式接收裝置(5)，它由圓錐形收縮管和圓柱形管連接而成，圓錐形收縮管的大端朝向內(nèi)裝有靜電紡溶液(1)的噴絲頭(2)，圓柱形管底部具有開口，圓柱形管底部開口處接真空泵，在漏斗式接收裝置(5)中形成由漏斗入口向圓柱形管開口運(yùn)動(dòng)的氣流。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種靜電紡納米纖維紗線的制備裝置，其特征在于所述的圓錐形收縮管和圓柱形管材料均為金屬或內(nèi)表面貼有導(dǎo)電材料的非金屬管。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種靜電紡納米纖維紗線的制備方法和裝置。包括噴絲頭、高壓發(fā)生器和接收裝置；所述的接收裝置為漏斗式接收裝置，它由圓錐形收縮管和圓柱形管連接而成，圓錐形收縮管的大端朝向內(nèi)裝有靜電紡溶液的噴絲頭，圓柱形管底部具有開口，開口處接真空泵，在漏斗式接收裝置中形成由漏斗入口向圓柱形管開口運(yùn)動(dòng)的氣流。本發(fā)明在靜電紡所用的高聚物溶液中加入電解質(zhì)，以增加纖維的集聚效果；同時(shí)采用漏斗型管道作為靜電紡納米纖維的接收裝置，并對(duì)漏斗后端的圓柱形管道切向抽真空，形成一定的氣流場，從而對(duì)纖維進(jìn)行集聚，形成由納米纖維組成的紗線。該發(fā)明裝置制備簡單，操作方便，制備的納米纖維紗線可用于電子和生物工程等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)D02G3/00GK102277668SQ20111020502
公開日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月21日
發(fā)明者李妮, 熊杰, 薛花 申請(qǐng)人:浙江理工大學(xué)